小型流化床锅炉燃烧系统机理建模研究.pdf

第3 0 卷第1 1 期计算机仿真2 0 1 3 年1 1 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 3 ) 1l 一0 1 0 0 0 4 小型流化床锅炉燃烧系统机理建模研究 张悦1 ，杨永超1 ，柴佳林1 ，吴毅2 ( 1 华北电力大学河北省发电过程仿真与优化控制重点实验室，河北保定0 7 1 0 0 3 ； 2 福建华电漳平火电有限公司，福建漳平3 6 4 4 0 0 ) 摘要：通过分析流化床锅炉燃烧系统的特点，将燃烧系统划分为三个独立的子系统物料循环系统，床温系统，烟风系统， 依据动量、质量、能量三大守恒定律，建立三个子系统满足机理特性的计算公式，并对公式做适度简化，使之能够满足实时运 算的要求，并增加关键参数的修正系数，建立其模块化的机理模型，最后通过仿真运行数据验证，上述机理模型能够正确反 映流化床锅炉主要参数的变化趋势。 关键词：流化床；燃烧系统；机理建模；物料循环；床温；烟风系统 中图分类号：T M 7 3文献标识码：B D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fM o n i t o r i n gS y s t e mi nB SM o d e B a s eo nW e b S o c k e tT e c h n o l o g ya n dS V G T e c h n o l o g y Z H A N GY u e l Y A N GY o n g c h a 0 1 ，C H A IJ i a l i n l ，W UY i 2 ( 1 H e b e iE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fS i m u l a t i o n O p t i m i z e dC o n t r o lf o rP o w e rG e n e r a t i o n N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ，B a o d i n gH e b e i0 710 0 3 ，C h i n a ； 2 F u j i a nH u a d i a nZ h a n g p i n gT h e r m a lP o w e rC o L t d ，Z h a n g p i n gF u j i a n3 6 4 4 0 0 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：I nt h i sp a p e r ，b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m b u s t i o ns y s t e mi nt h ef l u i d i z e db e db o i l e r ，t h e c o m b u s t i o ns y s t e mh a sb e e nd i v i e di n t ot h r e ei n d e p e n d e n ts u b s y s t e m s ，r e c y c l em a t e r i a l ss y s t e m ，b e dt e m p e r a t u r es y s t e m ，a n df l u eg a ss y s t e m ，b ym e a n so fm o m e n t u mc o n s e r v a t i o n ，m a s sc o n s e r v a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n T h ef o r - m u l a so ft h r e es u b s y s t e m sh a v eb e e nf o u n dw h i c hm e e tt h em e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i c s T h e nt h ef o r m u l a sh a v eb e e n m o d e r a t e l ys i m p l i f i e dt om a k es u r et h a tt h e yc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ec o m p u t i n g ，i n c r e a s et h ec o l T e c t i o nf a c t o ro ft h ek e yp a r a m e t e r s ，a n dg e tt h em e c h a n i s mm o d e lu n d e rt h er u l eo fm o d u l a r A tl a s t ，t h es i m u l a t i o nd a t as h o wt h a tt h em o d e l scanr e f l e c tt h ec o r r e c tt r e n d so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r si nf l u i d i z e db e d K E Y W O R D S ：F l u i d i z e db e d ；C o m b u s t i o ns y s t e m ；M e c h a n i s mm o d e l i n g ；R e c y c l em a t e r i a l s ；B e dt e m p e r a t u r e ；F l u eg a s s y s t e m 1引言 流化床煤燃烧是一种新型的洁净煤燃烧技术，能够燃烧 其它燃烧方法不能燃烧的劣质燃料，并可减少二氧化硫和氮 化物的生成，减少环境污染。目前我国运行的流化床锅炉有 3 0 0 0 台，大部是小型锅炉，随着容量的增大，其设计和运行经 验有很多不足。如沸腾层温度偏低，沸腾层的悬浮段燃烧工 况组织不佳，热负荷可调性能差等等，建立流化床锅炉的机 理模型对于分析流化床锅炉的整体性能，研究设计和运行中 存在的问题，具有重要的意义。本文从物料循环，炉膛温度 分布以及烟风分布三个方面讨论流化床锅炉的机理模型建 立。 收稿日期：2 0 1 3 一0 4 一0 5 1 0 0 2 物料循环 流化床锅炉的物料循环如图1 所示。 物料循环模型中，主要建立炉膛内部物料循环算法模 块，旋风分离器算法模块，返料阀算法模块。 2 1 物料循环算法模块 将炉膛按照高度分为两个区域，密相区和稀相区，每个 区域假定存在的固体物料分为三种，焦炭，灰和脱硫剂。脱 硫剂的成分使用C a C 0 3 。脱硫剂和焦炭燃烧后都转换为灰。 密相区各类物料的动态质量守恒方程为： 百d M i = W 。一W o 。+ W r 。 ( 1 ) 其中i 代表不同的物料，缈。进入区域的固体物料，耽离 开区域的固体物料，E 是燃烧反应产生或者消耗的物料。根 万方数据 图1 流化床锅炉物料循环 据这样的动态平衡，分别建立三种物料的区域平衡方程。 对于密相区而言，进入的焦炭包括给煤中含有焦炭量， 通过返料器回来的物料内含有的焦炭量，消失的焦炭量包括 进入稀相区的焦炭量，燃烧反应消耗的焦炭量，随排渣排走 的焦炭量。 进入的灰包括锅炉启动时加灰量，通过返料器返回的灰 量，脱硫反应产生的灰量，消失的灰量包括进入稀相区的灰 量，随排渣排走的灰量。 脱硫剂类似，稀相区计算方法同密相区类似，这里不再 赘述。 2 2 旋风分离器算法模块 旋风分离器模拟烟气携带飞灰等固体颗粒，直径较大的 固体颗粒从烟气中分离出来。建模过程采用常用的分级分 离，对于分离器而言，分离效率是非常重要的参数，不同粒径 的颗粒有不同的分离效率，分级分离效率公式如下： d 再1 i 7 = 1 一e x p ( 一0 6 9 3 ( 产) ) ( 2 ) n = l 一( 1 一。6 6 8 D ：”) ( 生竺j ；竽) 。3 ( 3 ) 如- 3 枷3 4 6 5 ”_ 可若丽) ( 4 ) 其中7 , 是分离器内速度分布指数，d ，。是切割粒径，分离 器的分离效率为5 0 时的粒径，d 。颗粒直径，P 颗粒密度，U 烟气速度，。混合物温度，K 。进V I 截面积，亿无因次分离空 间，D 0 分离器直径。 根据分离效率，就可以很容易获得进入返料器的固体物 料量。 2 3 返料器算法模块 返料器回送的物料量与返料器进出V I 物料的差压和物 料流化状态有关，而物料的流化状态和返料风量有关。因 此，返料器内质量守恒方程为： i d M = 形。一耽。 ( 5 ) 肜，。= c 倚 ( 6 ) 其中M 是返料器内的物料量，形m ，耽分别是返料器的流 入量和流出量，J P 是进出口差压，c 为物料的流动导纳。 模块化的物料循环系统如图2 所示。 物料循环模型 3 炉膛温度分布 对于流化床锅炉而言，床温是非常重要的一个监控测 点，影响床温的因素很多，其中一次风量和燃料量是影响床 温的主要因素。将流化床锅炉的燃烧室按照高度分为密相 区和稀相区，这里主要考虑密相区的燃烧情况，建立床温的 机理模型。 密相区燃料燃烧以后温度的变化，可以通过这个区域燃 料燃烧反应过程以及对外传热的过程来综合考虑。进入这 个区域的热量包括燃烧燃烧的释放的热量，脱硫剂燃烧释放 的热量，床料在燃烧过程的中的放热，从底部预燃室进入该 区域的一次风所携带的热量等，这个区域丧失的热量包括， 烟气流经这个区域带走的热量，排渣过程中灰渣带走热量， 煤化学反应消耗的热量，如果该区域布置水冷壁等受热面的 话，还有考虑工质换热等。 密相区和稀相区通过密相区高度来区分，实践证明这个 参数对于燃烧室模型很重要，由于气固两相流的复杂性，目 前还有办法精确计算密相区的高度，但是现在已经有很多估 算方法1 1 。l ，在这里不再赘述，假定密相区高度已经确定。 煤的燃烧是一个复杂的化学反应过程，煤颗粒燃烧过程 包括一次爆裂，挥发份析出和燃烧，焦炭燃烧，气体燃烧等过 程。简化燃烧的计算，考虑煤的各个元素重复燃烧整体放出 的热量为q 。燃烧室燃烧的除了煤粉，还要加入脱硫剂，如 石灰石等，以及预先加入的固体床料，这些在燃烧过程中也 会释放一定的热量，这些热量分别定义为q 。，q 。“。一次风 进入该区域也会通过空预器的换热带入部分热量，这部分热 量定义为q 。 烟气循环过程中，烟气流经该区域要带走部分热量，带 走的热量可以按下面的式子计算： g 一2g s “一 ( 7 ) = g 吖木C g 删水删一g 出J 木C g 珊l 木t b 万方数据 其中q 。烟气带入的热量，W 。进入该区域的烟气量，c 。进 入该区域的烟气的比热，t 。进入该区域的烟气的温度，q 刚 烟气带走的热量，训。流出该区域的烟气量，q 。流出该区 域的烟气比热，t 训流出该区域的烟气温度。 床料变化对热量的影响也可以按照上面的分析法进行， 不过床料变化包括排渣和通过返料回到该区域的物料两部 分，其计算公式如下： q 。 = q 。 一q 。 l( 8 ) g 哪 = 训甜 水C 叫 年( 珊 一6 ) + r q 、 W 。 C “ “ t q m M2 训e w + c e m + t b W e m h l + c m s l4 t b 2 + ( 1 0 1 W d a s C a “ 其中q 。为进入该区域的灰渣带入热量，q 洲为流出该区域 的灰渣带走热量； 叫。为进入该区域的初始灰渣量，C 。为进入该区域的 初始灰渣比热，t 。为进入该区域的初始灰渣温度； W 。为通过返料回到该区域的灰渣量，C 。为通过返料 回到该区域的灰渣比热，t 。为通过返料回到该区域的灰渣 温度； W 础为在烟气作用下由密相区到稀相区的灰渣量，C 。 为在烟气作用下由密相区到稀相区的灰渣比热，t 一为在烟 气作用下由密相区到稀相区的灰渣温度； W 。为重力作用下由稀相区到密相区的灰渣量，C 耐。 为重力作用下由稀相区到密相区的灰渣比热，t 商。为重力作 用下由稀相区到密相区的灰渣温度； 埘缸。为排渣机排出的灰渣量，C 缸。为排渣机排出的灰渣 比热，。为排渣机排出的灰渣温度。 综合以上各个方面，密相区热量的变化量为： q = q c o d + q 。+ g 叫 一- n + q o t r l + ，1 1 、 g g 。+ A q g + g 如一9 1 其中q 如燃烧过程中消耗的热量，q 。布置受热面燃烧和 工质换热消耗的热量。 按照热量变化获得床温变化为： 出6。笔案+石1Wl i d l ) j o f d l 丰L 5 0 +Q 其中g h 是密相区热量的损失，g 一。是由密相区向稀相区散 发的热量，W 一矧为密相区固体的含量，C 。为固体比热容。 4 烟风分布 借助信号流图的概念，利用节点和支路描述烟风系统， 反映压力和流量变化，其中节点分为三种，源节点，汇合节点 和混合节点，混合节点的运算最为复杂，需要全面考虑进入 节点的支路和流出节点支路。利用质量守恒和动量守恒定 律，节点主要完成计算压力分布，支路主要完成计算流量变 化，源节点和汇合节点利用特殊模块构成，混合压力节点和 流量支路构成流体网络。 4 1压力节点算法介绍 一】0 2 1 ) 压力计算 压力节点应用质量守恒定律，将流体看做单向流体，忽 略管道上流体压力的变化对流体状态参数的影响，并且将管 道上流体和外界的质量和能量交换统一到节点算法 节点的能量守恒方程如下： 了d m i ：G i + G 。 ( 1 3 ) G 。= q ( 1 4 ) 百d m i = 型鲁生= K ( 参+ 鲁+ 参+ 鲁) ( s ) 其中节点的容积随着节点间管路长度的恒定，其容积可以认 为是恒定的，而流体密度随压力和温度而变化，忽略温度变 化对密度的影响， V i ( 。d $ 矿O i 警) = q + G 。 ( 1 6 ) 其中密度随压力的变化可以被看做是工质的压缩能量，对于 不可压缩流体4 0 。d P 。= 0 ，对于一般流体可认为其压缩系数 接近于0 的小数即可。 2 ) 流量计算 节点的流量等于所有进入节点的支路流量之和减去所 有流出节点的支路流量， G 。= e = ( C ；。* 倚) ( 1 7 ) P 支路人口和出口压差，c 。为支路导纳，代表支路的 流通能力。 导纳可以根据局部支路的串并联关系计算，并且导纳和 流动阻力系数间的关系表达式如下： ( 1 8 ) 其中手为支路总的阻力系数为支路的流通面积，P 为流通的 密度。 4 2 流体网络搭建 以炉膛出口压力为基准点，向布置受热面的尾部烟道和 炉膛底部风室做压力映射分布。选取炉膛的关键位置作为 节点，通过调整节点间支路的导纳，模拟烟风系统压力和流 量的变化。节点选择如图3 。 根据节点设置，通过调整支路导纳，反映系统中压力变 化与流量间的对应关系，考虑漏风的影响，在节点中增加微 小流量修正。建立压力流量模型。 5 模型验证 选取某个1 3 0 T H 的流化床锅炉为仿真对象，根据前面 的方法建立燃烧系统机理模型，分别在稳定工况下做一次风 量和燃料量的扰动试验，分别减少1 0 ，获得其它重要参数 的变化曲线如图4 和图5 。 从图4 中可以看出，一次风量减少，床温是逐渐上升的， 床层压力也逐渐上升，氧量逐渐下降，负荷波动较小。从图5 中可以看出，煤量减少，床温和主汽流量下降较为明显，床压 万方数据 图3 烟风系统压力节点选择 9 9 00 0 9 0 0 0 00 0 1 4 00 0t h 一- 70 0 K P a 主汽流量 _ 80 0 ：一 一50 0 55 0 1 0 00 0 7 0 0 0 00 0 9 4 00 0 图4 一次风量减少1 0 锅炉参数响应曲线 70 0t h 9 9 00 0 9 0 0 0 00 0 1 4 00 0 仇 70 0K P a 1 00 0 70 0 曲 60 0t h 图5 给煤减少1 0 锅炉参数响应曲线 由于外界给料的减少，也随之下降，一次风量虽然一次风机 出力没有变化，但是在床压的影响下也适度增加，氧量增加。 图4 和图5 说明，按照前面的方法建立的机理模型能够 反映流化床锅炉主要参数的变化趋势。 6 结论 流化床锅炉燃烧系统的复杂性，使得其特性分析和控制 非常困难，本文将流化床锅炉燃烧系统分成三个方面考虑， 分别建立其独立系统的模块化机理模型，通过模型运行数 据，能够正确反映流化床锅炉运行特点，为流化床锅炉的进 一步研究提供了便利条件。 参考文献： 1 赫俏，等循环流化床流动特性分析 J ，燃烧科学与技术， 1 9 9 9 ，5 ( 3 ) ：3 2 5 - 3 3 0 2 杨波，吕清刚循环流化床锅炉燃烧模型中密相区高度的确定 J 锅炉技术，2 0 0 0 ，3 l ( 8 ) ：5 7